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A partir de las observaciones en microondas, que mostraban que la atmósfera de Venus era extremadamente caliente y densa, Sagan propuso el efecto invernadero provocadopor el dióxido de carbono como la causa de estas elevadas temperaturas. Esto le llevó a alertar de los peligros del cambio climático producidos por la actividadindustrial del hombre. Sagan también es conocido como uno de los coautores del artículo científico en el que se advertía de los peligros del invierno nuclear, un estudio basado ensus trabajos sobre la atmósfera marciana y los posibles cambios climáticos marcianos producidos por tormentas de arena.
El Dr. Sagan colaboró en el diseño de la misiónMariner 2 a Venus, y de las misiones Mariner 9 y Viking a Marte. También trabajó en la misión Voyager hacia el exterior del sistema solar y en la misión Galileo aJupiter.
Vida extraterrestre
Sagan fue uno de los primeros científicos en proponer la hipótesis de que Europa, uno de los satélites de Júpiter, y Titan, el satélite más grandede Saturno, podrían contener un océano, en el caso de Europa bajo su gran capa de hielo, y en el caso de Titan superficial, sugiriendo la posibilidad de un posibleentorno habitable. En el caso del satélite Europa, su océano fue más tarde confirmado indirectamente por los resultados de la misión espacial Galileo.

También concibió laidea de enviar un mensaje inalterable al espacio más allá del Sistema Solar que pudiera ser entendido por una posible civilización extraterrestre que lo interceptara en unfuturo. El primer mensaje así enviado fue una placa de oro en la sonda Pioneer, posteriormente un disco de oro en las sondas Voyager y el mensaje de Arecibo.